宇宙中的引力弹弓效应是什么?
2013年上映的《星际穿越》被称为最严谨的科幻电影,但它却存在着这些让人摸不着头脑的迷之操作,在电影中男主被困火星,其他队员已经在返回地球的路上,当他们决定返回火星营救男主时,却没有掉头原路返回飞往火星,而是加速飞往地球。同样的迷之操作也出现在中国科幻片流浪地球中,人类驾驶地球不是径直飞出太阳系,而是去了木星,这些迷之操作都是为了利用引力弹弓效应。
太阳系各大行星都绕着太阳,有一个公转速度,这时候让这颗行星捕获一颗卫星,然后再合适的时机让卫星脱离行星,卫星的速度就变成了行星绕着太阳的公转速度,和卫星绕着行星的公转速度叠加。两部电影中都运用了这一原理,给飞船或者行星加速《星际穿越》中,如果先减速再反向加速,这样虽然节约时间,但是由于原来并没有中途返回火星的计划,所以携带的燃料很有可能不能支持,减速接近地球在加速飞向火星的过程,燃料一旦在太空后进,那么飞船里的人也将陷入危险,所以返回地球加速并且调整方向之后,借助地球的引力反弹在飞向火星显然是最有选择。
我们再看流浪地球,按照电影中的介绍,一台重聚变行星发动机的推力是150亿吨,1万台就是150万吨,那么我们来看看木星对地球的引力是多少?已知万有引力公式为,两星球质量的乘积再乘以万有引力常数除以两星球距离的平方。一旦地球距离木星到达这个距离,那地球就会在木星的引力下被瓦解,这个距离约为10.9万公里,所以我们不能去比10.9万公里更小的距离计算,那我们就去50万公里。
当然这些引力并不能全部被用来给地球加速,但是哪怕有万分之一的引力能有帮助,也能甩行性发动机好几条街。地球的公转速度相对于太阳来说是1000km每小时,而木星相对于太阳的共转速度为47000km每小时。如果让地球迎着木星飞行,被木星引力捕获,那地球和木星的相对速度,就是两者相加为48000km每小时。这时候让地球围绕木星旋转半圈,顺着木星的运行方向将地球甩出去,那么地球相对于太阳的相对速度,就是地球相对于木星的速度加上木星相对于太阳的速度,即95000km小时,这相当于获得了两倍木星绕着太阳旋转的速度,直接就可以让地球超越第三宇宙速度16.7千米每秒,这时候地球就可以脱离太阳系,飞向新的家园。
这要是让行星发动机给地球加速,不知道要加速到何年合约,但是这个引力弹弓效应也有一定的局限性,那就是两者质量相差必须十分悬殊,这是因为如果两者质量相差不大,那么两者之间的万有引力,就会对双方都产生显著影响。最后你也分不清楚谁是弹弓,如果像是火星救援中飞船和地球之间差距极大,卫星和地球之间的引力会对卫星产生很大的影响,但是这个力对庞大地球影响就十分微小,不足以撼动地球的运动状态。
这种情况现实中也有过实现,那就是飞出太阳系的旅行者号,多次运用太阳系内行星给自己加速,最后飞出了太阳系。但是像流浪地球中的地球和木星,虽然两者相差有318倍,但这两者之间的万有引力就可能对木星造成影响,所以电影中的想法可能不是很安全,但这并不影响流浪地球成为一部优秀的国产科幻片,也并不影响大家了解引力弹弓效应。
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